一种机器人检测障碍的传感器的制作方法

本发明涉及一种机器人检测障碍的传感器，主要用于机器人在移动过程中检测前方整个投影面上可能碰到的障碍物。

背景技术：

机器人在检测移动方向（一般为前方）上的障碍物时，最好是移动方向的整个面（机器人在前方的投影面）都能检测到，否则，那怕是机器人的一个边角都可能撞上障碍物，如果是这样这个自动移动的装置就不可靠，因此机器人在检测前方障碍时最好采用面传感器。比如，机器人需要检测会不会被茶几、沙发下沿卡住（或撞坏家具）、前方地面的凸起机器人是否能够越过、机器人的边角是否会撞人等，目前机器人上常用的检测障碍的传感器有红外线或超声波，需要安装多个，且不能覆盖整个投影面，但是如果为了扩大覆盖面而在整个面上都安装这类传感器，一则成本较高，二则信号覆盖就扩散了，相当于把机器人的机体范围放大了，原来可以进入的通道也变得不可进了。

技术实现要素：

本发明就是为了解决这个传感器的覆盖问题，能够让机器人在移动方向的整个面上检测到障碍物，提供这种覆盖面宽的传感器发射装置。

本发明是这样设计的：

一种机器人检测障碍的传感器，其特征在于所述的传感器包含至少一个数字成像模块、一个线状激光发射装置，以及至少一个存在反射面的反射镜或反射棱镜或导光管，线状激光发射装置将激光信号发射至反射面，一个或多个反射面将线状激光发射装置发射的线状激光在离开整套传感器信号发射装置前的光路通过反射延长一次或多次，所述的反射面是与线状激光的张角一致的长条状的反射镜或反射棱镜或导光管，反射面长条方向呈平面或曲面，数字成像模块主要用于将线状激光在机器人前方的投影线摄入成像模块的ccd（或cmos）感光元件上，根据该线状激光在感光元件上的位置形状，就能判别线状激光在地面的投影线有没有被其他物体（障碍物）遮挡住，除了线状激光（合作目标），其他物体（非合作目标）在感光元件上的成像可被忽略。

所述的线状激光发射装置为一个一字线激光发射头。

所述的线状激光发射装置为张角在一平面上的至少两个一字线激光发射头。

传感器信号发射装置出光处的反射面整体为一个面。

传感器信号发射装置出光处的反射面为多个面，多个面将信号反射至多个方向；线状激光发射装置也可有多个，每个朝向多个反射面的其中一个面；或者线状激光发射装置为一个，这个线状激光发射装置包含多个朝向多个反射面其中一个面的一字线激光发射头。

线状激光发射装置还附带上下转动机构或摆动机构，转动机构或摆动机构能将线状激光来回转动一些角度，通过转动将线状激光朝向反射面的不同位置。

传感器信号发射装置出光处的反射面还附带上下转动机构或摆动机构，线状激光发射装置发出的线状激光平行于机器人轮轴，转动机构或摆动机构能将出光处的反射面来回转动一些角度，通过转动，出光处的反射面反射的线状激光传递到前方水平方向不同角度。

传感器信号发射装置出光处的反射装置还附带左右转动或摆动机构，线状激光发射装置发出的线状激光垂直于地面，转动机构能将出光处的反射面反射的线状激光传递到前方垂直方向不同角度。

虽然不通过反射，出光张角大的一字线激光发射头也能将激光线立刻变长，但是其亮度也迅速衰减，本发明的目的之一还在于要约束线状激光发射装置的张角，增加线状激光的亮度，并且让线状激光离开机器人本体前基本扩张到相应的长度。

附图说明

图1（a、b）为前方障碍物判别示意图（其中b为a的前方成像示意图）。

图2为本发明前方障碍物距离计算原理图。

图3为本发明的另一例（垂直方向扫描）障碍物距离判别示意图。

图4为针对类人形机器人传感器信号发射装置信号覆盖示意图（其中a、b为未用本发明的机器人、c、d为设置了本发明的传感器的机器人）。

图5（a、b、c）为本发明的机器人小车（比如扫地机器人）传感器安装方式示意图。

图6（a、b、c）为本发明传感器信号发射装置结构示意图（其中a为侧面剖面图，b为a的正面剖面图，c为另一种结构剖面图）。

图7（a、b）为本发明的两例多个线状激光传感器信号发射装置并列安装结构示意图。

图8（a、b、c、d）本发明的另两例（垂直方向扫描）传感器信号发射装置结构示意图。

图9为本发明的机器人小车带旋转的传感器信号发射装置安装方式示意图（其中a、b为俯视图，c为b的侧视图）。

图10（a、b、c）为带旋转的传感器信号发射装置的工作示意图（圆圈内为局部放大图）。

图11（a、b、c、d、e、f）为旋转机构示意图。

图12为本发明的全方位移动机器人小车带旋转的传感器信号发射装置结构示意图。

实施例：

一种机器人检测障碍的传感器，其特征在于所述的传感器包含至少一个数字成像模块2、一个朝向前方地面的线状激光发射装置1，以及至少一个存在反射面3的反射镜31或反射棱镜32或导光管33，线状激光发射装置1将激光信号发射至反射面3，一个或多个反射面3将线状激光发射装置1发射的线状激光在离开整套传感器信号发射装置前的光路通过反射延长一次或多次，所述的反射面3是与线状激光1的张角一致的长条状的反射镜31或反射棱镜32或导光管33，反射面3长条方向呈平面或曲面。

至少一个数字成像模块2设置在机器人前面板附近低于或高于线状激光发射装置1处，大致设置的位置一般是机器人的半高位置，可以兼顾成像模块的视角，数字成像模块主要用于将线状激光在机器人前方的投影线摄入成像模块的ccd（或cmos）感光元件上，根据该线状激光在感光元件上的位置形状，就能判别线状激光在地面的投影线有没有被其他物体（障碍物）遮挡住，除了线状激光（合作目标），其他物体（非合作目标）在感光元件上的成像可被忽略。

无障碍时，地面上的线状激光稳定投影在固定位置，有障碍凸起时，一部分线状激光照在凸起的障碍上，其在成像模块上的投影会上移（记录下首次上移的时间），如图1（a、b），根据上移的偏移量，能计算出障碍物的距离，并根据机器人移动速度，可计算机器人多长时间会遇到该障碍，机器人应该如何动作，如果前方道路上有坑（台阶），那么在预期位置上一个有的线状激光就会下移或者看不见，这种情况也表明前方有障碍，不能跨越（也可通过计算下移的偏移量，根据经验值确定这个落差机器人能通过）。

进一步，根据线状激光发射头的斜向下的角度、感光元件上的线状激光投影位置，甚至能够计算出障碍物离机器人的位置，如图2线状激光发射装置的出光处为a（离地高度为ab），射出的光线照到路面上d点，一旦遇到路上的障碍物（比如一个路障），部分光会被挡住，在l处出现亮点（线段），成像装置的镜头e中心点为o，该点离地高度为og；感光元件c（ccd）水平方向对应o点处为q点，d点在ｃ上的成像处为ｒ点，l点在ｃ上的成像处为ｐ点（其实d、l、n、r、p点并不在一个平面上，图中为这些点的投影面），dr与障碍物lm（取其高度）相交于n点，ad与地面的夹角为α，dr与地面的夹角为β。根据焦距与放大倍数计算所得的放大比例为k，的其中ab、og、gb、oq为已知（固定值），rq、pq根据像素点的密度（及像素点间隔的距离），在c上绝对的长度可以计算得知，实际长度（代入下来公式时）还要乘上放大比例k，看做可知（已知），假设障碍物lm离d的距离为x，即dm的长度为x则，图中方便起见默认放大比例k为1：

∵tgβ=mn/dm=rq/oq=og/dg

∴dg=og*oq/rq

∵tgα=ab/db即tgα=ab/（dg+gb）=ab/（og*oq/rq+gb）

∵ln=lm-mn=x*（tgα-tgβ）

∵（dg-dm）/oq=ln/rp即（dg-x）/oq=ln/rp

∴（dg-x）/oq=x*（tgα-tgβ）/rp

即（dg-x）/oq=x*（ab/（dg+gb）-rq/oq）/rp

x=(rp*dg/((ab*oq/(dg+gb))-(rq-rp))

其中rq-rp=pq，所以简化后：

x=rp*dg/(ab*oq/(dg+gb)-pq);dg=og*oq/rq

∴x=rp*og*oq/(rq*(ab*oq/(og*oq/rq+gb)-pq))

dg-x即og*oq/rq-rp*og*oq/(rq*(ab*oq/(og*oq/rq+gb)-pq))为障碍物离机器人前端（镜头）的距离。

根据当时的机器人的速度及刹车距离，计算出机器人还能前行多久（或多少距离）就需要改变方向，并根据障碍物左右两侧的情况确定往左右或者后方哪个方向移动，或者根据移动趋势变更移动方向为左后或者右后。

线状激光发射装置1还可设置在机器人的一侧，大致半高位置，线状激光大致垂直于地面，朝向机器人前方，数字成像模块2设置在机器人的另一侧或另一侧至机器人中轴线（中间位置的垂线）附近的大致半高位置。在这种设置方式下，需要判别的就是线状激光弯折的位置和弯折的方向。如图3中有a、b、c、d四段线，其中a、d是护墙板处的弯折，a、d段的上方又弯折，表明a、d处均凸出墙体;b段为靠墙摆放的一个柜子凸出；c段为地上的地毯凸起，根据c段下方及上方凸起部分位于成像模块上的水平位置，可通过查经验值（事先存放的成像模块上各处水平位置对应的离机器人的距离值）的方式可取得障碍物离机器人的距离，凸起（或凹陷）的高度（并不是很重要，可作为判别机器人能否爬上（越过）障碍物（地毯）的依据）也可通过查经验值取得。

因为传感器信号发射装置发出的线状激光在前方每个距离投射出的线段长度是固定的，还有一种计算方式是根据成像模块中拍摄到的线状激光的长度计算确定线状激光投射处离机器人的距离是多少；根据每一段（如果线状激光信号发射装置有多个）或一整段线状激光在成像模块上的相应位置（以及当前机器人车体的水平倾角）以计算或查表的方式也可测算线状激光投射处（或者）离机器人的距离。

如图4（a、b），如果在机器人的顶部设置一个朝向前下方的线状激光发射装置1，根据这个线状激光发射装置的张角，在前方平整的地面上留下一条线，发射点到地面的线形成一个等腰三角形，也就是所述的传感器信号发射装置的信号范围就是这个三角形的范围，显然，机器人的顶端（如图4b的阴影部分）并不能完全覆盖整个机器人在前方的投影面，如果仅靠这个传感器，机器人上部就可能会撞上障碍物，本发明就是为了将顶端的一个点扩展为至少同机器人顶端同宽，并且能扩展至机器人最宽处（同等高度）同宽的一条线，如图4（c、d），将一个线状激光发射装置的位置后移或者将一个线状激光发射装置1设置在机器人内部，线状激光发射装置1的激光发射头朝向反射面3，通过至少一个反射面3反射延长扩束。如果有多个存在反射面3的反射镜31或者反射棱镜32，一般在最后一块反射面3出光时，能将线状激光延长至与接近机器人等宽的长度（或者就是等宽），或者抵近机器人的前脸所在的竖直面时，或者抵达成像装置2的上方最大光学视角的延长线时，能将线状激光延长至接近机器人等宽的长度，等宽的目的是保证前方所有进入机器人等宽范围的物体（都有可能与运动的机器人相撞）都会被线状激光照到，能在成像装置上有投影。

线状激光发射装置1可以为一个一字线激光发射头，尤其对于室内移动的机器人来说，一个一字线激光发射头在不远处（与机器人移动速度有关、也与数字成像模块2的视角有关）地面的投影线的亮度足够，一个一字线激光发射装置通过至少一个反射面3将一字线激光发射头发射的激光线延长，这个反射面可以是长条状的反射镜31或反射棱镜32，整套线状激光发射装置出光处的反射面整体为多个条状面，这个面可以是平面或凹面（出光时再聚焦一次），其余反射面（第二个以至更多）可为条状一个面的反射镜31或反射棱镜32，反射镜31为镜子（具有有规则反射性能的表面抛光金属器件和镀金属反射膜的玻璃（可防尘、表面防腐蚀）或金属、塑料制品（较轻便）），一般为玻璃（或树脂）镜。

线状激光发射装置1的可以为也可在同一平面上设置多个（至少两个）张角较小的一字线激光发射头，一字线激光发射头同向，即每个一字线激光发射头的张角为同一的方向（张角的边在同一平面上），用多个发射头将一字线延长并约束每个一字线激光发射头的张角，通过至少一个反射面3将一字线激光发射头发射的激光线延长，可提高每一段线状激光的亮度，在较远处或环境亮度较强处还能在数字成像模块2中看到线状激光。

一个反射面3也可以是一个柱形反射棱镜32（即反射面3存在于柱形反射棱镜32的一个长条状面上），这个棱镜可将线状激光发射头1发出的线状激光的激光线一方面通过反射在离开机器人前传输更长的距离延长（扩张）射向机器人的前下方、一方面又通过棱镜32折射偏向机器人的斜上方发出线状激光的组合装置，如图5（b、c）、图6（c），这种斜向上方的一字线是为了标明机器人加上线状激光发射装置的高度之间是否会在成像装置上显示一字线段，如果有，标明上方有障碍物。当然为了检测上方的限高，也可单独设置朝向斜上方的线状激光发射头而不通过棱镜。

至少一个反射面3也可以是一个反射棱镜32加至少一个反射镜31或全反射棱镜32，线状激光发射装置1发出的入射激光从反射镜31或全反射棱镜32射向出光处的反射棱镜32，最终从反射棱镜32处出光；或从一个反射镜31射向另一个反射镜31，多次反射后从反射棱镜处32出光，如图6（c）。

至少一个反射面3还可以是多个反射镜31或全反射棱镜32，入射激光从一个反射镜31或全反射棱镜32射向另一个反射镜31或全反射棱镜32，多次反射后从最后一个反射镜31处出光，如图5（a）、图6（a、b）。

多个反射面3还可以是弯曲的由窄变宽的柱形导光管33，导光管33呈由窄变宽（指线状激光发射装置1发射的线扩张方向而非发散变粗方向变宽）的弯曲的柱形，由窄变宽的幅度由线状激光发射装置发射的线状激光的张角决定，一般将线状激光约束在柱形导光管33内，弯曲可以是断续弯曲（部分直管、部分弧形管，如图8(a、b)）或连续弯曲，如图8（c、d），弯曲的柱形导光管33与线状激光就相当于光纤与激光（点状）的关系，可以让激光信号在导光管内不断变换方向，对于线状激光的意义就是让其在导光管内在变换方向的同时延长线状激光的长度，对于连续弯曲的导光管而言，还可以节省安装空间，弯曲的导光管不仅可以传输一路线状激光，也可传输多路的线状激光，可相同位置不同角度、也可不同位置相同角度（平行）、还可不同位置不同角度入射的线状激光。

传感器信号发射装置出光处（最后一个反射镜31或反射棱镜32）的反射面3整体为一个面（平面或曲面（曲面反射面3的截面线平滑过渡）），这个反射面3将一个线状激光发射装置1发射的线状激光反射至机器人前方，或是将来自不同方向的多个线状激光反射至机器人前方不同角度。

传感器信号发射装置出光处的反射面3为多个面（过渡不平滑的多个平面（截面呈折线）或者多个曲面），线状激光发射装置1也为多个（一般平行设置），每个反射面反射一个线状激光发射装置发出的线状激光，多个面将多个线状激光发射装置1的信号反射至前方道路上多个距离，如图7（b）；如果出光处的反射面3为多个面的反射棱镜（多棱镜）32，除了将多个（一般平行设置）线状激光发射装置1发射的线状激光（a、b、c）反射（a’、b’、c’）外，还能将其中的一路（a）折射（a”）向前上方射出，如图7（a）。

或者线状激光发射装置为一个，这个线状激光发射装置包含多个朝向多个反射面3其中一个面的一字线激光发射头，即多个一字线激光发射头合成一个线状激光发射装置1，这多个一字线激光发射头根据朝向不同分层，每层一个一字线激光发射头或每层两个（或更多，每层多个一字线激光发射头的一字线张角在同一个平面内）。

为了在远、中、近三个距离得到线状激光，可以设置多层线状激光发射装置1，一层设置一个或多个一字线激光发射头（均匀间隔分布、每个一字线激光发射头的一字线张角在同一个平面内），每层平行打在不同的反射面上，或者交叉打在同一个反射面上，或者平行打在同一个反射面上，反射后再通过至少一个存在不同反射面的反射镜（或反射棱镜）将线状激光反射至多个方向。

在反射后朝向远距离、中距离、近距离分别设置的三个（或多个）不同水平夹角的线状激光发射头的激光颜色可以不同。

传感器信号发射装置出光处的反射面3还附带上下转动机构或摆动机构5，线状激光发射装置发出的线状激光平行于机器人的轮轴，转动机构或摆动机构5能将出光处的反射面转动一些角度，通过转动，出光处的反射面3反射的线状激光传递到前方水平方向不同角度，如图9、10、11，这种转（摆）动方向是将线状激光由近至远的转动，或者机器人通过这个转（摆）动机构检测有没有在图像处理模块的视野范围内有坐落于地面的障碍物，比如沙发侧面、床架等，这个转（摆）动方向是向上转（摆）动至反射面至少能将线状激光反射至机器人前方等高的范围，如图10（a、b、c）中，入射至出光处反射面的线状激光略倾斜于水平面，出光处的反射面前端略呈弧线（将入射光线扩张至更大的角度），整个出光处反射面的反射装置的旋转轴30位于反射装置的中后端或者后端，旋转轴30转动时，线状激光投射至近处接近90度至较远处的障碍物上略高于机器人的最高处的在前面的投影线（可以是入射的线状激光完全没有打在反射面上，直接射向前方）。

传感器信号发射装置出光处的反射面3还附带左右转动或摆动机构5，线状激光发射装置发出的线状激光垂直于地面，转动机构能将出光处的反射面3反射的线状激光传递到前方垂直方向不同角度，如图8（a、b、c、d），对于图8（a、b）的反射棱镜31来说，除了折射光线外，在一些旋转角度还存在折射光线的反射线。

整个出光处反射面3的反射装置的两端（或至少一端）的旋转轴50被支撑臂59夹持（可通过铜套或轴承夹持），中间位置（或者另一段）的旋转轴50上设置齿轮，通过一个过渡齿轮52与驱动轴51上的齿轮啮合，如图11（a），驱动轴由伺服电机、步进电机或带减速齿轮的直流电机加码盘驱动（可以是步进电机的电机轴）；整个出光处反射面3的反射装置的旋转轴也可以就是电机的输出轴，或者之间只有一个齿轮。

整个出光处反射面3的尾部也可设置弧线形齿条53，与驱动轴51驱动的齿轮啮合，以齿轮齿条的方式驱动旋转一定角度，如图11（b）；尾部也可设置弧线形涡形齿，与一电机驱动的涡轮啮合，以蜗轮蜗杆的方式驱动旋转一定角度，蜗轮蜗杆的好处是自锁与大减速比。

整个出光处反射面3也可通过凸轮54（偏心轮）旋转加弹簧55拉伸回复的方式作往复（摆动）运动，如图11（c）。

整个出光处反射面31也可通过曲柄56连杆57的方式驱动作往复运动，如图11（d），图中画出了反射面31通过往复运动后的两个位置。

整个出光处反射面的往复（摆动）运动也可通过电磁铁58的通断控制,如图11（e），电磁铁58设置在反射面的底部左右两侧中的一侧（或两侧都设置），通电时电磁铁58吸合反射面底部的铁块，断电时反射面被弹簧55拉回；或者将电磁铁58设置在反射面的上方，如图11（f），电磁铁58通电时吸合反射面上方的铁块，电磁铁58断电时由于重力作用反射面旋转回落。

转动机构或者往复运动（摆动机构）5有很多方案，这只是一些简单的示例方案，一个转动机构或摆动机构对于机械行业的技术人员来说能够设计出很多方案，不应将转动机构或摆动机构的变化视为本发明的新的改进。

出光处反射面3也可是平面，反射面3的旋转轴位于线状激光投射于反射面3的线附近（或重合），旋转轴的驱动部分在反射板的左右两端（如果是如图11的上下转动的安装方式）中的一端，另一端以轴承固定旋转的支撑轴；对于左右转动的安装方式，如图8，旋转轴的驱动部分在反射板的上下两端中的一端。

线状激光发射装置1还附带上下转动机构或摆动机构5，转动机构或摆动机构5能将线状激光来回转动一些角度，通过转动将线状激光朝向反射面3的不同位置，并反射至前方不同角度。

传感器信号发射装置也可以是线状激光发射装置1打到一根凸面镜35或凹透镜上进行扩束（要求线的扩张角变大，即线状激光的长度变长，线本身不需要变粗，所用最好采用条状凸面镜35，即凸面镜35窄的方向是平的，长的方向是弧线面），然后离开整套传感器信号发射装置前的那个反射面3加工成凹面镜34或凸透棱镜进行聚焦，聚焦包括线的扩张角变小、线状激光变细（曲面呈球面），当然也可以只是扩张角变小，即凹面镜34窄的方向是平的，长的方向是弧线面，如图12。

传感器信号发射装置也可以是一个点状激光发射器打到一根圆柱形透镜上形成一条粗线状激光，然后通过一个凹面镜或凸透镜聚焦，将粗线变成细线。

机器人中有一种全方位移动（又称三自由度移动）机器人，可不转向瞬间直接向任意方向移动，对于这种机器人小车，可在机器人的半高位置或上部，如图12设置一个旋转的转盘6，转盘6上设置一数字成像模块2（成像模块2的朝向与转盘6的圆心在一直线上），以及至少一个线状激光发射装置1（如果多个，这多个线状激光发射装置1的张角所在的平面垂直于成像模块2的朝向，如果一个，这单个线状激光发射装置1发出的线状激光垂直于成像模块2的朝向），转盘6中央（圆心处）向上设置一根柱子61，柱子61顶部设置平行于地面（水平面）的反射面3，线状激光发射装置1发出的线状激光朝向反射面3并全部或大部照射在反射面3上，反射面3也可带上下旋转或摆动装置5，转盘6上还可设置一个或多个缺口或圆孔62，相应的转盘6的位置上下方设置一光电对管，用于检测当前的转盘6及成像模块2的位置及朝向，当然位置检测装置也可用霍尔元件（防灰）；数字成像模块2需要处理的图像就是转盘6带动线状激光发射装置1朝向机器人需要移动的方向时的线状激光。

所谓数字成像模块2主要为包括摄像头、数字成像元器件（ccd或cmos阵列）、输入输出电路、数字处理模块（dsp）等部件集成在一起的摄像系统，典型的应用比如相机、光学鼠标的成像及处理系统、手机的摄像头系统等，摄像头最好采用广角摄像头，在成像模块的前端还可设置滤光镜、偏振片，当然也可将滤光镜、偏振片集成在成像模块内（摄像头后），这个数字成像模块也可在同一平面上设置多个，比如左右各一个，以扩展视角。数字成像模块不一定设置在机器人外壳上，也可在外壳上开孔（窗口）、成像装置向机器人内部缩进一段距离。镜头为了防尘，可设置透光性好的玻璃（或树脂）片遮挡，或用滤光镜、偏振片挡灰，成像装置2可以设置多个。比如两侧附近各一个。

如果因为机器人的紧凑型设计，必须把设置在机器人的前表面（或稍稍内陷），因为成像装置2的视角有限，不能将近处的线状激光的投影线拍摄全，处理的办法或者是设置多个成像装置2扩充视角，或者是将成像装置2上也设置一个转动机构，这个转动机构可以与线状激光发射装置1或者传感器信号发射装置出光处的反射面3同步来回转动，转动的方式可以是同一个转动驱动装置（电机或电磁铁）通过连杆连接或者同一个底盘一起转动，或者单独都通过带码盘的电机驱动，保证线状激光照射到近处时，成像装置也朝向近处（或者线状激光垂直朝向物体一侧时，成像装置2也朝向同一侧），如果成像装置2带转动装置，也可将成像装置2设置在机器人的底部。

可在成像元件设置一个或多个（由大变小的——近处至远处）虚拟边框（类似于现在的后视倒车视频上显示车体宽度的梯形边框），虚拟的边框可以是两条线（类似道路向前方延长的线，不过比路窄，由机器人的两侧等宽处向前上方中间延伸），用以表示机器人的宽度，甚至虚拟的边框是一个长方形(人形机器人的投影就是“人形”)，长方形的高标识机器人的高度，长方形的底（偏移量）标识机器人可越过的高度，线状激光在这个边框外的变形可以忽略，当然可以测量边框外的的线状激光变形是否有向边框内移动的趋势，如果有，说明障碍物有可能会与机器人碰撞。